(57)【要約】【課題】  内部ショートの発生を防止しながら、高いエネルギ密度を有する円筒形電池を提供する。【解決手段】  円筒形電池は、外装缶２と、外装缶２内に収容された電極群１４であって、それぞれが帯状をなす正極板１８及び負極板２０を、これら極板１８,２０間に挟まれたセパレータ１６とともに巻芯の回りに巻回して形成された電極群１４と、電極群１４の中央部に巻芯を引き抜いて確保された空間１４ａと、空間１４ａに設けられ、正極板１８及び負極板２０とは別体の少なくとも１つの電極片２６とを備える。【選択図】      図１
2006269343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装缶と、
前記外装缶内に収容された電極群であって、それぞれが帯状をなす正極板及び負極板を、これら極板間に挟まれたセパレータとともに巻芯の回りに巻回して形成された電極群と、
前記電極群の中央部に前記巻芯を引き抜いて確保された空間と、
前記空間に設けられ、前記正極板及び負極板とは別体の少なくとも１つの電極片と
を備えたことを特徴とする円筒形電池。
【請求項２】
前記電極片は、前記正極板及び負極板のうち前記セパレータを介して前記空間を囲む極板とは反対の極性を有することを特徴とする請求項１記載の円筒形電池。
【請求項３】
前記電極片は、非焼結式のニッケル電極からなることを特徴とする請求項２記載の円筒形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は円筒形電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の円筒形電池には、アルカリ電池等の一次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池があり、その円筒形の外装缶内に渦巻き状の電極群が収容されている。電極群は、セパレータを介在させた状態で、それぞれが帯状をなす正極板及び負極板を巻芯の回りに巻回して形成されるため、電極群の中央部には、電極群から巻芯を引き抜くことで空間が確保される。この空間には溶接棒が挿入され、この溶接棒により、例えば負極リード等の負極用集電部材と外装缶の底壁とが溶接される（特許文献１）。
【特許文献１】特開平5-299099号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
円筒形電池は、デジタルカメラ等の携帯用機器の電源としてその需要が増大するのに伴い、極板の高密度化やセパレータ及び外装缶の薄肉化等により高エネルギ密度化が図られてきた。しかしながら、これらの手法による高エネルギ密度化は限界に近付いているという問題がある。
すなわち、極板の更なる高密度化は、極板の巻回性低下をもたらすばかりでなく、巻回時に極板の亀裂や破断を招く虞があり、亀裂や破断した極板の部分がセパレータを突き破って相手電極に接触し、内部ショートが発生するという問題がある。
【０００４】
セパレータの更なる薄肉化も、正極板と負極板がセパレータを突き破って直接接触し易くなり、内部ショートが発生するという問題がある。
外装缶の更なる薄肉化は、外装缶の生産性低下を招くとともに電池の強度不足をもたらすという問題がある。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、内部ショートの発生を防止しながら、高いエネルギ密度を有する円筒形電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、外装缶と、前記外装缶内に収容された電極群であって、それぞれが帯状をなす正極板及び負極板を、これら極板間に挟まれたセパレータとともに巻芯の回りに巻回して形成された電極群と、前記電極群の中央部に前記巻芯を引き抜いて確保された空間と、前記空間に設けられ、前記正極板及び負極板とは別体の少なくとも１つの電極片とを備えたことを特徴とする円筒形電池が提供される（請求項１）。
【０００６】
好適な態様として、前記電極片は、前記正極板及び負極板のうち前記セパレータを介して前記空間を囲む極板とは反対の極性を有する（請求項２）。
好適な態様として、前記電極片は非焼結式のニッケル電極からなる（請求項３）。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の請求項１の円筒形電池では、電極群の中央部に確保された空間に電極片を設けることで、高エネルギ密度化が達成される。
そして、この円筒形電池では、正極板及び負極板の高密度化やセパレータの薄肉化により高エネルギ密度化を達成するのではないため、内部ショートの発生が防止される。
請求項２の円筒形電池は、電極片が１つの極性のみを有するので、互いに異なる極性を有する２つ以上の電極片を設けた場合に比べて、電池の生産性低下が防止される。また、電極片が、正極板及び負極板のうちセパレータを介して前記空間を囲む極板とは反対の極性を有するので、電極片が効率的に電池反応に寄与し、高エネルギ密度化が確実に達成される。
【０００８】
請求項３の円筒形電池では、電極片が非焼結式のニッケル電極からなり、電極片の形状加工が容易である。このため、電極群の中央部の空間に合わせて大きな電極片を配置することができ、より一層の高エネルギ密度化を容易に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の円筒形電池の一実施形態に係るニッケル水素二次電池について説明する。
図１に示したように、ニッケル水素二次電池は、有底円筒状の外装缶２を備え、外装缶２の開口端内には、環状の絶縁部材４を介して封口板６が固定されている。封口板６は中央にガス抜き孔８を有し、封口板６の外面には、ガス抜き孔８を閉塞する弁体１０が配置され、更に、弁体１０を覆うフランジ付きの円筒状の正極端子１２が取り付けられている。
【００１０】
外装缶２内にはアルカリ電解液とともに、略円柱状の電極群１４が収容されている。より具体的には、この電極群１４は、セパレータ１６を介して互いに対向する渦巻き状の正極板１８及び負極板２０を含み、巻芯の回りにそれぞれが帯状をなすセパレータ１６、正極板１８及び負極板２０を巻回して形成される。巻芯は、これら電極板１８,２０の巻回後に引き抜かれるため、電極群１４の径方向中央部には、巻芯の形状に対応した略円柱状の空間１４ａが確保される。なお、この空間１４ａはセパレータ１６の最内周部により囲まれており。また、電極群１４の最外周は、セパレータ１６の最外周部により形成されている。
【００１１】
電極群１４の一端部においては、負極板２０がセパレータ１６からはみ出しており、この電極群１４の一端部は、外装缶２の内底面側に位置付けられている。電極群１４の一端部と外装缶２の内底面との間には金属製の円板形状の負極集電板２２が配置され、負極集電板２２は、セパレータ１６からはみ出した負極板２０の部分と外装缶２の内底面の双方に溶接されている。従って、負極板２０は、負極集電板２２を介して外装缶２に電気的に接続されている。
【００１２】
なお、負極板２０は、例えばパンチドメタルからなる導電性の負極基板２０ａを有し、負極基板２０ａの両面には、負極集電板２２に溶接される部分を除き、負極活物質層２０ｂが形成されている。負極活物質層２０ｂは、主成分として、負極活物質としての水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金粉末と、水素吸蔵合金粉末を負極基板２０ａに結着する結着剤と、必要に応じて導電剤等の種々の添加剤とを含む。なお、本明細書では、説明の都合上、水素吸蔵合金粉末のことも負極活物質という。
【００１３】
一方、外装缶２の開口端側に位置する電極群１４の他端部と封口板６との間には金属製の正極集電リード２４が配置され、正極集電リード２４は、帯状の金属板を所定形状に折曲して形成される。正極集電リード２４の両端部は、正極板１８及び封口板６に溶接され、正極板１８は、封口板６及び正極集電リード２４を介して正極端子１２に電気的に接続されている。
【００１４】
正極板１８は、例えば、３次元の網目状構造を有したニッケル多孔体からなる導電性の正極基板を有し、正極基板の孔内に正極合剤が充填されている。正極合剤は、主成分としての正極活物質、つまり、水酸化ニッケル粉末と、水酸化ニッケル粉末を孔内に結着する結着剤と、必要に応じて導電剤等の種々の添加剤とを含む。このような正極板１８は、非焼結式（ペースト式）ニッケル電極と称され、水酸化ニッケル粉末、結着剤及び添加剤を含むペーストを調製した後、このペーストを正極基板に充填し、そして、ペーストを充填した正極基板に対して乾燥・圧延処理を施して形成される。なお、ペーストを正極基板の表面にも塗布し、正極基板の表面に正極合剤からなる正極活物質層を更に形成してもよい。
【００１５】
ここで、本実施形態の円筒形電池では、上述した電極群１４の空間１４ａに、正極板１８とは別体の正極片２６が追加配置されている。正極片２６は、正極板１８と同様に非焼結式ニッケル電極からなり、３次元の網目状構造を有した正極基板と、正極基板に担持された正極合剤とを含む。正極合剤は、主成分としての正極活物質、つまり、水酸化ニッケル粉末と、水酸化ニッケル粉末を正極基板の孔内に結着する結着剤と、必要に応じて導電剤等の種々の添加剤とを含む。正極片２６は、空間１４ａの長手方向、つまり、電極群１４の軸線方向に延びる短冊状の形状を有する。なお、電極片２６においても、正極基板の孔内に正極合剤を充填するとともに、正極基板の表面に正極合剤からなる正極活物質層を形成してもよい。
【００１６】
正極片２６と正極集電リード２４との間には、サブリード２８が設けられ、サブリード２８は、帯状の金属板を所定形状に折曲して形成される。サブリード２８の両端は、正極片２６及び正極集電リード２４にそれぞれ溶接され、正極片２６は、サブリード２８、正極集電リード２４及び封口板６を介して正極端子１２に電気的に接続されている。
正極片２６は、セパレータ１６の最内周部により囲まれているけれども、図２に示したように、セパレータ１６の最内周部の外面には負極板２０の最内周部が隣接しており、正極片２６は、セパレータ１６を介して負極板２０の最内周部に対向している。
【００１７】
なお、図２は、正極片２６とともに電極群１４の横断面を模式的に示しており、同図中、線の錯綜を避けるため負極基板２０ａ及びセパレータ１６が省略されている。
上述した円筒形電池は例えば以下のようにして組立てることができる。
正極集電リード２４になる金属板の一端を予め溶接した正極板１８を、セパレータ１６及び負極板２０とともに巻芯の回りに巻回し、電極群１４を作製する。この後、巻芯を引き抜いた電極群１４の一端に負極集電板２２を抵抗溶接してから、負極集電板２２とともに電極群１４を外装缶２内に収容する。それから、外装缶２に電極群１４の空間１４ａを通じて溶接棒を挿入し、負極集電板２２を外装缶２の内底面にスポット溶接する。この後、溶接棒を引き抜いた電極群１４の空間１４ａに、サブリード２８になる金属板の一端を予め溶接した正極片２６を配置してから、正極集電リード２４になる金属板の中間部に、サブリード２８になる金属板の他端を溶接するとともに、正極集電リード２４になる金属板の他端を、正極端子１２等を予め取付けた封口板６に溶接する。これらの溶接後、外装缶２内にアルカリ電解液を注液してから、正極集電リード２４及びサブリード２８になる金属板を折り曲げながら、絶縁部材４を介して封口板６を外装缶２の開口端内に固定し、円筒形電池が組立てられる。
【００１８】
上述した円筒形電池では、電極群１４の中央部に確保された空間１４ａに正極片２６を設けることで、高エネルギ密度化が達成される。
そして、この円筒形電池によれば、正極板１８及び負極板２０での正極活物質や負極活物質の高密度化やセパレータ１６の薄肉化により高エネルギ密度化を達成するのではないため、内部ショートの発生が防止される。
【００１９】
なお、本発明は上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であって、例えば、円筒形電池は、ニッケルカドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等であってもよく、また一次電池であってもよい。
一実施形態では、正極片２６は、非焼結式ニッケル電極であったけれども、焼結式ニッケル電極であってもよい。ただし、正極片２６は非焼結式ニッケル電極からなるのが好ましい。なぜならば、非焼結式ニッケル電極は、正極基板が３次元網目構造のニッケル多孔体からなり強度が低いため、正極基板がパンチドメタルからなる場合に比べて形状加工性がよく、正極片の形状を空間１４ａの形状に合わせることで、より大きな正極片を空間１４ａに配置することができるからである。例えば、正極片が非焼結式ニッケル電極からなる場合、図３に示したＣ字状の正極片３０や、円筒状の正極片を空間１４ａに配置することができる。
【００２０】
一実施形態では、正極片２６を空間１４ａに配置したけれども、正極板及び負極板のうち、セパレータを介して正極板が空間１４ａを囲んでいるときには、正極片２６に代えて、負極基板及び負極活物質を含む負極片を空間１４ａに配置してもよい。つまり、空間１４ａに配置する電極片は、巻回された正負極板のうちセパレータを介して空間１４ａを囲む極板とは反対の極性を有するのが好ましい。なぜならば、この場合、電極片が、セパレータを介して異なる極性の極板と対向することから効率的に電池反応に寄与し、この結果として、電池の高エネルギ密度化が確実に達成されるからである。
【００２１】
一実施形態では、1つの正極片２６のみを空間１４ａに配置したけれども、複数の電極片を積層して配置してもよく、例えば、図４に示したように正極片３２及び負極片３４を空間１４ａに更に配置してもよい。ただし、複数の電極片、特に互いに極性の異なる複数の電極片を配置した場合、各電極片を外装缶２又は正極端子１２に電気的に接続するのが煩雑になり、電池の生産性が低下するため、１つの電極片のみを配置するのが好ましい。
【実施例】
【００２２】
１．電池の作製
実施例１
（１）正極板及び正極片の作製
水酸化ニッケル粉末９０質量部及び酸化コバルト粉末１０質量部からなる混合粉体に、ＣＭＣ（カルボキシルメチルセルロース）０.３質量部及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のディスパージョン（比重１.５，固形分６０重量％）を固形分換算で０.５質量部を純水４５質量部とともに添加して混練し、ペーストを調製した。このペーストをニッケルめっき繊維基板内に充填した後、更に基板の両面にペーストを塗布した。この後、ペーストを付与した基板に対し、ペーストの乾燥を経てからローラプレスによる圧延処理を施してから裁断し、厚さが０.７８mm、幅３７.５mmの帯状の正極板１８と、厚さが０.７８mm、幅２.５mm、長さ３７.５mmの短冊状の正極片２６とを作製した。
【００２３】
（２）負極板の作製
金属原料の混合粉体を高周波溶解炉を用いて溶解し、組成がLmNi3.6Co0.8Mn0.4Al0.2（ただし、Lmはランタン富化した市販のミッシュメタル）で示される水素吸蔵合金のインゴットを作製した。このインゴットを機械粉砕した後、その粉砕物を２００メッシュの篩を通過させ、所定粒径の水素吸蔵合金粉末を得た。この水素吸蔵合金粉末１００質量部に対して、ポリアクリル酸ナトリウム０.５質量部、ＣＭＣ０.１２５質量部、ＰＴＦＥのディスパージョン（比重１.５，固形分６０重量％）を固形分換算で２.５質量部及び導電剤としてカーボン粉末１.０質量部を純水５０質量部とともに添加して混練し、ペーストを作製した。このペーストをパンチドメタルに塗布してから乾燥させ、乾燥したペーストをパンチドメタルとともに加圧成形し、厚さ０.２９mm、幅３７.５mmの帯状の負極板２０を作製した。
【００２４】
（３）円筒形電池の組立て
得られた正極板１８に正極集電リード２４になる金属板の一端を溶接してから、正極板１８及び負極板２０を、目付６０g/m2の不織布からなるセパレータ１６を介して巻回し、渦巻き状の電極群１４を作製した。この後、巻芯を引き抜いた電極群１４の一端に負極集電板２２を抵抗溶接してから、負極集電板２２とともに電極群１４を外装缶２内に収容した。それから、外装缶２に電極群１４の空間１４ａを通じて溶接棒を挿入し、負極集電板２２を外装缶２の内底面にスポット溶接した。この後、溶接棒を引き抜いた電極群１４の空間１４ａに、サブリード２８になる金属板の一端を予め溶接した正極片２６を配置してから、正極集電リード２４になる金属板の中間部に、サブリード２８になる金属板の他端を溶接するとともに、正極集電リード２４になる金属板の他端を、正極端子１２等を予め取付けた封口板６に溶接した。これらの溶接後、外装缶２内に７.０Ｎの水酸化カリウム（ＫＯＨ）及び１.０Ｎの水酸化リチウムを含むアルカリ電解液を注液してから、正極集電リード２４及びサブリード２８になる金属板を折り曲げながら、絶縁部材４を介して封口板６を外装缶２の開口端内に固定し、ＡＡＡサイズの実施例１の円筒形電池を１０００個組立てた。
【００２５】
比較例１
正極片２６を空間１４ａに配置しなかった以外は実施例１と同様にして、比較例１の円筒形ニッケル水素二次電池を１０００個組立てた。
比較例２
厚さが０.８１mmの正極板１８を用いた以外は実施例１と同様にして、比較例２の円筒形ニッケル水素二次電池を１０００個組立てた。
【００２６】
２．電池の評価
（１）組立て直後における内部ショートの確認
組立て直後の実施例１及び比較例１,２の各電池の端子間電圧を測定し、内部ショートの発生した電池数を数え、この結果を１０００個中の発生率として表１に示した。
表１からわかるように、実施例１及び比較例１に比べて正極板１８の厚さが厚い比較例２では、組立て直後に内部ショートが２個発生していた。
【００２７】
（２）容量測定
内部ショートが発生していなかった各電池について、室温下、８０mAの電流で１６時間の充電後、１６０mAの放電電流にて終止電圧１Vまで放電させ、このときの放電容量を測定した。この結果を平均値として表１に示す。
表１からわかるように、実施例１は、正極片２６を配置しなかった比較例１に比べて大きな放電容量を有していた。
【００２８】
【表１】
2006269343.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るニッケル水素二次電池の縦断面図である。
【図２】図１の電池の正極片及び電極群の横断面をセパレータを除いて模式的に示した図である。
【図３】変形例の正極片及び電極群の横断面をセパレータを除いて模式的に示した図である。
【図４】他の変形例の電極片及び電極群の横断面をセパレータを除いて模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
２      外装缶
１４      電極群
１４ａ    空間
１６      セパレータ
１８      正極板
２０      負極板
２６      正極片（電極片）
【図１】
2006269343.tif 000004
【図２】
2006269343.tif 000005
【図３】
2006269343.tif 000006
【図４】
2006269343.tif 000007